DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA DA ADESÃO DA
CAMADA DE METALIZAÇÃO DE FILMES METALIZADOS –
FASE 1
Fábio G. Teixeira 1*, Léa M. de Oliveira 2, Ildebrando A. Jesus Jr.3, Claire I. G. L. Sarantópoulos4
Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Embalagens – CETEA do ITAL – [email protected], 2 Centro de
Pesquisa e Desenvolvimento de Embalagens – CETEA do ITAL – [email protected], 3 Universidade Estadual de
Campinas – UNICAMP – [email protected], 4 Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Embalagens – CETEA do
ITAL – [email protected]
1*
Evaluation of metal adhesion resistance of metallized films – First step
The use of metallized films for packaging is well spread in the food marketing because of its good barrier properties,
that allows product preservation. Metallized films are used in combination with other substrates to form a multilayer
package. The adhesion between these layers are determinant for maintain the package properties, such as barrier,
mechanical resistance and good appearance thus affecting product quality and shelf life. This study aim the
establishment of a procedure for evaluation of metal adhesion on polymeric substrates. It was proposed a new procedure
for evaluation of adhesion resistance based on methods described on literature and on the study of some parameters that
affect this measurement as: sealing parameters (composition of sealant film and sealing conditions), tensile angle and
specimen position on equipment. New studies are necessary to investigate the effect of the kind of double adhesive tape
and surface used to fix the specimen on the results.
Introdução
Filmes plásticos metalizados à base de polipropileno biorientado (BOPP) e de politereftalato de
etileno (PET) são muito utilizados em embalagens para alimentos, pois reúnem boas propriedades
mecânicas e de barreira a gases e umidade. Os filmes de PET e de BOPP são os substratos usuais
para metalização, devido às suas propriedades superficiais e estabilidade dimensional. De acordo
com REARDEN (2006), o BOPP e o PET representam 55 e 38%, respectivamente, do mercado de
filmes metalizados. Estes filmes são excelentes opções para conferir propriedades de barreira a
materiais laminados com espessura total reduzida, uma vez que permitem aliar as vantagens da
orientação de filmes ao significativo efeito da melhoria de barreira conferido pelo revestimento por
metalização, que também reduz a transmissão de luz do material. De acordo com MUELLER e
WEISSER (2002), a metalização aumenta em 20 a 100 vezes as propriedades de barreira do
material.
Embalagens à base de filmes metalizados, com múltiplas camadas, são largamente utilizadas para o
acondicionamento de produtos alimentícios como, por exemplo, leite em pó integral e desnatado,
café torrado e moído, sopa desidratada, suco em pó, chocolates, balas, biscoitos e salgadinhos tipo
snacks. Estruturas metalizadas são também utilizadas para algumas linhas de produtos institucionais
destinados à merenda escolar nas escolas públicas do Estado de São Paulo. No Brasil, atualmente,
mais de 90 empresas estão envolvidas na cadeia produtiva de filmes plásticos metalizados, ou seja,
na conversão da embalagem final destinada ao acondicionamento do produto, fabricação de
etiquetas e rótulos, metalização ou produção do substrato. Contudo, as propriedades de barreira,
assim como a aparência e a integridade deste tipo de embalagem são comprometidas quando ocorre
a delaminação da estrutura multicamada. A resistência à delaminação de um material de
embalagem, ou seja, a força necessária para separar as camadas de uma estrutura, é função da
capacidade de adesão das duas superfícies, um fenômeno interfacial. No caso das embalagens
flexíveis metalizadas, a resistência à delaminação é definida por fatores como: grau de adesão
(ancoragem) do metal ao substrato; tipo e quantidade de tratamentos superficiais aplicados aos
substratos; tipo, gramatura, grau de cura do adesivo; migração de aditivos para a superfície do
substrato, a exemplo de deslizante, dentre outros fatores.
Alguns componentes do produto acondicionado também são agressivos ao material de embalagem,
a exemplo de óleos e gorduras, ácidos e componentes do aroma de condimentos, de alguns
alimentos e de produtos de higiene e limpeza, os quais permeiam a camada interna da embalagem,
passando a atuar sobre o adesivo. Os esforços a que a embalagem é submetida durante transporte,
distribuição e comercialização do produto também contribuem para a delaminação do material.
A força de adesão da metalização também afeta o desempenho da termossoldagem e,
consequentemente, o desempenho da embalagem, pois o calor aplicado nesta operação favorece a
delaminação. Estudos têm demonstrado que o aumento da força de adesão da metalização ao
substrato também contribui para a melhoria das propriedades de barreira ao oxigênio e ao vapor
d’água do filme de PET metalizado (MOOSHEIMER; MELZER; LANGOWSKI, 2001; BICHLER
et al., 1998).
Conforme já comentado, um dos principais fatores que interferem na resistência à delaminação da
estrutura é a força de adesão da camada de alumínio ao substrato polimérico. Esta força é função da
polaridade da superfície a ser metalizada, da cristalinidade do substrato, da rugosidade interfacial,
do tamanho do grão de alumínio e da espessura da camada de alumínio depositada. Desta forma é
importante medir esta força de adesão. Sendo assim, este trabalho teve por objetivo levantar
subsídios para o desenvolvimento de um método de ensaio para determinar a força de adesão da
metalização com alumínio a um filme plástico, que possa ser validado a nível nacional.
Experimental
Dois métodos de ensaio para determinação da força de adesão de metais a um filme polimérico
descritos na literatura internacional foram selecionados. A partir de então, elaborou-se um novo
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método, com o qual foram avaliados os efeitos de algumas das condições de ensaio nos resultados
finais, obtidos com filmes metalizados. Todos os ensaios foram realizados utilizando uma máquina
universal de ensaios Instron, modelo 5500R e uma termosseladora Sentinel, operando com uma
barra aquecida.
O primeiro método utilizado como base do método proposto foi descrito pela Association of
Industrial Metallizers, Coaters and Laminators – AIMCAL. Neste método, a face metalizada da
amostra, na direção de fabricação, é termosselada a um filme padrão de EAA (copolímero de
etileno e ácido acrílico) com 25 µm de espessura na condição de 105 ºC/15 psi/15 s, utilizando uma
termosseladora com apenas um mordente plano aquecido. A força de adesão é medida a 90º (ângulo
formado entre o filme metalizado e o filme de EAA), em uma máquina universal de ensaios,
operando a 305 mm/min. Para evitar o alongamento do filme de EAA, uma fita adesiva padrão é
aplicada sobre o mesmo (ASSOCIATION..., s.d.).
O outro método base foi descrito por Bichler et al. (1998), que apenas especificou o uso do filme de
EAA como selante, o condicionamento dos corpos-de-prova em ambiente a 23 °C e 50 % de
umidade relativa pelo período de 5 horas, a velocidade de 50 mm/min de destacamento do filme
selante da amostra de filme metalizado e o ângulo de 180 ° entre o filme metalizado e o EAA. Não
foram encontradas na literatura referências quanto aos parâmetros de selagem dos filmes.
Baseando-se nos dois métodos descritos, foi proposto um novo método: a fita adesiva foi fixada ao
filme metalizado para evitar seu alongamento ou rasgamento. A termosselagem do filme metalizado
com os diferentes filmes selantes foi feita em seladora com uma barra de 25,4 mm de largura
aquecida. As condições de selagem foram fixadas em: 105 °C / 15 s / 20 psi. A velocidade do
ensaio foi fixada em 305 mm/min. Nas Figuras 1 e 2 são apresentados o esquema da selagem dos
corpos-de-prova e do seu posicionamento na máquina universal de ensaios, nos dois ângulos de
medição da resistência da adesão da metalização a 180 ° e 90 °.
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Figura 1 – Esquema da selagem das amostras.
Figura 2 – Esquema do posicionamento da amostra na máquina de determinação da resistência da adesão da metalização a 180 ° e 90 °.
Com o método proposto realizou-se alguns experimentos com um único tipo de BOPP metalizado
com cerca de 20 µm de espessura, variando três fatores:
1. o tipo de filme selante – além do EAA foram avaliados o EBA (terpolímero de etileno, butil
acrilato e anidrido maleico ) e um laminado de PET/EAA;
2. o ângulo de medição da resistência da adesão da metalização: 90 º e 180 º;
3. posicionamento dos filmes no equipamento de medição da resistência – filme metalizado na
garra móvel e na garra fixa.
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A fim de qualificar e poder estabelecer uma relação entre a resistência da adesão da metalização e o
nível de destacamento de metal observado no ensaio, foi definido que seria necessário estabelecer
uma escala qualitativa, indicativa do grau de destacamento do alumínio. Para tanto foram realizados
alguns ensaios preliminares com corpos-de-prova termosselados nas condições descritas
anteriormente e submetidos à medida da força de adesão nas diferentes condições expostas, a fim de
otimizar uma escala passível de aplicação e que permitisse não somente uma avaliação comparativa
do grau de destacamento, como também avaliar a ocorrência de apenas delaminação entre o filme
metalizado e o filme selante.
Resultados e Discussão
A partir dos ensaios preliminares e de uma escala utilizada para avaliação do grau de adesão de tinta
em filmes impressos (FINAT, 2005) foi estabelecida uma escala de cinco pontos para avaliação do
grau de destacamento do metal do substrato plástico, a qual é apresentada na Tabela 1.
Tabela 1 – Escala qualitativa do grau de destacamento da metalização.
Nível de destacamento
Grau de destacamento da metalização
1
0%
2
Menor que 10 %
3
Entre 10 % e 30 %
4
Entre 30 % e 60 %
5
Maior que 60 %
Na Tabela 2 são apresentados os principais resultados de resistência da adesão e o grau de
destacamento da metalização obtidos quando foram variados o filme selante (PET/EAA, EAA e
EBA), o ângulo de medição da resistência da adesão da metalização (90 ° e 180 º) e o
posicionamento dos filmes na máquina universal de ensaios.
Tabela 2 – Resultados obtidos nos experimentos.
Filme selante
PET/EAA
(14 µm/21 µm)
PET/EAA
(14 µm/21 µm)
PET/EAA
(14 µm/21 µm)
EAA (25 µm)
EAA (25 µm)
EAA (25 µm)
EBA (75 µm)
EBA (75 µm)
Filme na garra
Ângulo
móvel (superior)
Força média
(N/m)
IV
CV (%)
Grau médio de
destacamento do alumínio
Metalizado
180 °
271
211 – 317
14
4
PET/EAA
180 °
102
93,3 – 109
5,0
5
PET/EAA
90 °
124
90,4 – 163
21
5
Metalizado
EAA
EAA
Metalizado
EBA
180 °
180 °
90 °
90 °
180 °
103
197
52,1
36,7
355
46,5 – 149
110 – 297
37,9 – 66,7
23,2 – 48,2
198 – 574
34
38
24
20
41
4
3
2
1
2
IV: Intervalo de variação = valor mínimo – valor máximo
CV: Coeficiente de variação =(desvio padrão/média) x 100
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O filme selante de PET/EAA, independentemente do ângulo utilizado no ensaio de determinação da
resistência (180 ° ou 90 °) e do posicionamento do filme metalizado na máquina universal de
ensaios, apresentou os melhores graus de destacamento do alumínio do substrato (BOPP). Com este
selante também foi observada menor variação na força de adesão entre as repetições.
O filme selante de EAA também apresentou resultados relativamente satisfatórios, com um grau de
destacamento variando, em média, entre
4 a 3 (maior que 10%, mas inferior a 60%). Para
minimizar o alongamento do filme de EAA foi necessário aplicar no mesmo uma fita adesiva nos
ensaios a 90 º e a 180 º (filme na garra móvel).
Por fim, utilizando como filme selante o EBA, os resultados obtidos não foram satisfatórios. Além
de grande variação entre as forças de adesão determinadas, o grau médio de destacamento do
alumínio foi extremamente baixo (menor que 10% de destacamento), o que sugere que este selante
na verdade não foi capaz de destacar o alumínio depositado no substrato. Neste caso, também foi
necessário o uso de fita adesiva nas mesmas condições requeridas pelo EAA.
Os ensaios realizados com as amostras sendo tracionadas em ângulo de 180 ° resultaram em valores
superiores aos realizados a 90 °. Isto é um fator positivo, pois quanto maior a ordem de grandeza,
mais facilmente pode-se detectar diferenças entre a metalização de filmes. Outra vantagem da
realização do ensaio com o ângulo de 180 º é a maior facilidade em manter esta condição padrão
durante todo o ensaio. Quando foi utilizado o ângulo de 90 º verificou-se que a porção de amostra
termosselada não mantinha o ângulo constante durante o ensaio, o que afetava os resultados obtidos.
Os valores de referência para o grau de adesão do alumínio a diferentes substratos plásticos
encontrados na literatura são da ordem de 100 a 150 N/m, independente das condições do ensaio.
Valores desta ordem de grandeza foram obtidos com a utilização dos filmes de PET/EAA e de
EAA. Com estes filmes também foram obtidos bons graus de destacamento do alumínio.
Conclusões
Esta primeira fase do estudo demonstrou a influência de fatores como o filme selante utilizado e o
posicionamento do corpo-de-prova durante o ensaio, na determinação da resistência da adesão do
alumínio em filmes metalizados. A definição destes parâmetros é de grande importância para o
estabelecimento de um método que permita a mensuração real da resistência da adesão do alumínio
em um filme metalizado. Com os resultados obtidos foi possível definir os primeiros parâmetros
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para o ensaio: ângulo de 180 º e a utilização de EAA como selante podendo ou não estar laminado
ao PET. Definiu-se ainda que o filme metalizado deve ser fixado na garra móvel, assim não é
necessária a aplicação de fita adesiva quando for utilizado como selante o EAA e, desta forma,
elimina-se mais um fator que pode interferir nos resultados. Ensaios futuros serão focados no tipo
de fita dupla face a ser utilizada no ensaio, tipo de superfície na qual esta fita será aplicada,
definição de um único tipo de selante e avaliação da adequação da metodologia utilizando-se
diferentes substratos metalizados.
Agradecimentos
Os autores agradecem à FAPESP e às empresas que forneceram alguns dos insumos e equipamentos
necessários para este trabalho.
Referências Bibliográficas
AIMCAL - Association of Industrial Metallizers, Coaters and Laminators. Metallizing technical
reference, AIMCAL, South Carolina, [s.d.].
ASTM International. D 1876-01: standard test method for peel resistance of adhesives,
Philadelphia, 2001 3 p.
C. Bichler; K. Mayer; H. C. Langowski, U. Moosheimer in Proceedings da 41st Annual Technical
Conference, Philadelphia, 1998, p. 349–354.
C. M. Rearden. Metallized papers and films: a new focus for global growth. Disponível em:
<http://www.aimcal.org>. Acesso em: agosto/2006.
FINAT. FINAT Technical handbook – test methods, FINAT, Hague, 2005. p. 95.
K. Mueller; H. Weisser. Pack. Tech. and Science. 2002, 15, 29 – 36.
U. Moosheimer; A. Melzer; H. C. Langowski in Proceedings da 44th Annual Technical Conference,
Philadelphia, 2001, p. 458–463.
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